人工心臟瓣膜
關注創建者：葉一木 創建時間：2016-09-22
人工心臟瓣膜的實例教程
人工機械心臟瓣膜是自然心臟瓣膜的替代物，隨著對人工心臟瓣膜血流動力學認識的深入，新材料的應用，人工機械心臟瓣膜計算機模擬、測試手段的提高，使得人工機械心臟瓣膜研究成為國內外新興研究的熱點之一。通過SolidWorks及其分析軟件COSMOSWorks進行新型三葉瓣的研究開發，分析機械心臟瓣膜的結構組成及設計要求進行瓣葉與瓣環的結構設計。對瓣葉選擇合適的網格化分，用COSMOSWorks軟件自帶求解器進行應力與應變分析。為進一步研制新型人工機械心臟瓣膜提供了一種參考方法
基于SolidWorks的機械人工心臟瓣膜結構設計與有限元分析.pdf
展開 Elabbasi 使用 COMSOL Multiphysics 創建了一個簡單的示例，重點演示工程師如何克服心臟瓣膜的實際建模難題，并對其性能進行預測。
在模型中，心臟瓣膜隨流體流動而張開閉合。對這類運動進行建模并不簡單，Elabbasi 指出“此模型的主要挑戰在于心臟瓣膜的閉合及瓣膜材料特性的準確表征。”再加上心臟瓣膜閉合時，流體網格可能會坍縮，這就給研究帶來了難題。為了避免網格過度失真，團隊選擇了使用 COMSOL? 軟件中高級的網格控制功能。
心臟瓣膜的流-固耦合仿真結果
下面，我們看一看 Veryst 團隊根據心臟瓣膜模型中獲得的一些結果，此模型分析了流動模式、變化和滯留時間；心臟瓣膜周圍的回流；以及這些因素如何受瓣膜運動的影響。該模型亦可用于研究瓣膜材料中的應力和疲勞，以及血壓、剪切應力和變形。該團隊還發現，仿真能夠對心臟瓣膜的多個方面同時進行分析，例如血流速度、瓣膜變形和瓣膜中 von Mises 應力之間的相互作用。
模型結果（下圖）顯示，瓣膜周圍存在流動死區，且流體中發生了回流現象。這兩個因素均受到了瓣膜張開和閉合的影響。此外，瓣膜根部的應力很高。研究人員可以根據這些結果找出潛在問題，從而改進人工心臟瓣膜設計。需要注意的是，由于此示例僅用于演示對心臟瓣膜建模所能實現的大致效果，本文的結果并不完全符合實際情況。
心臟瓣膜張開（上）和閉合（下）的 FSI 模型。
如下圖所示，多物理場模型也可用于繪制動態的心臟瓣膜。
心臟瓣膜的動畫。動畫由 Veryst Engineering的 Nagi Elabbasi 提供。
FSI 建模改進醫療器械設計
上述案例表明了 FSI 仿真能夠幫助醫學研究人員實現哪些目標。借助此類模型，研究人員和工程師可以預測真實心臟瓣膜的性能，并利用這些信息來改進人工瓣膜的設計。
展開 近期，哈佛大學的科學家們則將該技術應用到了受損心臟領域，這提供了一種可以保持動脈暢通、讓血液自由流動的潛在新工具。
心臟瓣膜置換術是一種相對常見但卻比較棘手的手術，外科醫生需要打開促進血液進出心臟的四個瓣膜中的一個。這些瓣膜可能停止正常工作的原因有很多，但其中一個特別常見的原因是鈣積聚在被稱為小葉的皮瓣上，正常情況下它在每次心跳時打開和關閉。
哈佛大學的研究人員指出，在75歲及以上的美國人中，每八個人中就有一個以上會經歷中到嚴重程度的心臟主動脈瓣堵塞。醫生通過導管小心地將人工瓣膜置入主動脈內來進行治療，這一過程被叫做經導管主動脈瓣置換術(TAVR)。然而要想確定正確的尺寸卻有點像猜謎游戲。
“如果你在網上買了一雙鞋，卻沒有先試穿過，那么它們很有可能不太合適，”哈佛大學維斯研究所資深研究科學家James Weaver解釋稱，“選擇合適的替代TAVR瓣膜也會出現類似的問題，因為醫生沒有機會在術前評估特定瓣膜的尺寸與患者的解剖結構之間的匹配程度。”
如果判斷錯誤后果將會很嚴重。如果人工瓣膜太小就會發生移位和泄漏的問題；如果人工瓣膜太大，則會導致心臟破裂甚至還可能會導致死亡。
科學家們目前確實有一些工具可供他們在準備過程中使用。通常情況下，患者需要接受CT掃描，其中X射線圖像將用于生成心臟的三維重建，但這仍舊只能描繪出部分圖像。雖然這些可以展示主動脈的外壁以及鈣的積聚，但由于小葉太薄無法顯示出來因此就很難預測出人工瓣膜的適應程度。
展開 目前醫用聚氨酯被用于人工心臟、心血導管、血管涂層、人工瓣膜等領域。
LS-DYNA ICFD 心臟瓣膜模擬
3.1模型介紹
本血流動力學實例突出了 ICFD 求解器的最強 FSI 能力。由于壓力差，心臟瓣膜小葉打開以允 許血液流動。然后，強烈的反壓迫使它們再次關閉，血流量減少。本案列中對于瓣膜和血管壁均采用超彈性材料模型，難點在于當瓣膜在壓力驅動下張開時，會帶動流體網格產生較大的變形，通常為避免網格拉扯出現負體積，一般結合動網格，例如Comsol動網格。但即便如此，仍會存在無法繼續計算的問題，下圖6展示為Comsol拉普拉斯動網格模型，并當網格質量較差時，打開網格重新劃分，但是即使這樣，當變形較大時，計算仍然停止了，上文介紹的ICFD網格自適應技術能夠很好的彌補這點缺陷。
注：Comsol依然強大，只是本人找不到合適的方法，在此沒有說明Comsol軟件能力弱
圖 6 Comsol動網格及網格重新劃分心臟瓣膜模擬
3.2模擬結果展示
圖 7 心臟瓣膜網格自動剖分展示
圖 8 心臟瓣膜仿真流場壓力展示
圖 9 心臟瓣膜打開模擬
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人工心臟瓣膜的相關專題、標簽、搜索
人工心臟瓣膜的最新內容
1.LS-Dyna ICFD求解器介紹
不可壓縮流動求解器基于應用于流體力學的現有有限元技術。它與固體力學求解器完全耦合。FSI 耦合分析，允許通過顯式技術進行穩健的弱 FSI 耦合分析，或使用隱式進行強 FSI 耦合分析。除了能夠處理自由 表面流動之外，使用保守的水平集界面跟蹤技術,還可進行雙相流分析功能。還支持基本湍流模型。本求解器是 LS-DYNA 中第一個應用新的體網格劃分器
引文格式：
劉澤輝，張松，屈一飛. 基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化[J].工具技術,2021,55(10):51-57.
Liu Zehui，Zhang Song，Qu Yifei. Blade Parameter Optimization of Centrifugal
南極熊導讀：風濕熱可能會損害兒童的心臟瓣膜，導致風濕性心臟病、中風和心力衰竭。如今，通過手術修復心臟瓣膜是可能的，但如果患者是身體仍在生長的兒童，問題就變得十分困難。有時，需要進行多次侵入性手術才能用更大的瓣膜進行替換，而生產人造心臟瓣膜的過程成本高昂且漫長。為了解決上述問題，來自哈佛大學的研究人員正在努力通過3D打印技術合成心臟瓣膜，該瓣膜能夠與年輕患者一起生長，從而消除額外的手術。
例如，CAE 可用于預測植入式設備（如人工心臟瓣膜）的長期性能，有助于確保其安全性和有效性。
能源：能源行業也采用 CAE 來設計、分析和優化能源系統，例如風力渦輪機和太陽能電池板。例如，CAE 可用于預測風力渦輪機的能量輸出并優化其設計，確保它們產生盡可能多的能量。
總之，CAE 的應用廣泛應用于從航空航天和國防到消費品和生物醫學的各個行業。
臨床上廣泛采用鈦與鈦合金制造人工關節部件、接骨板和螺釘等，還用于制成人造椎體（脊柱矯正器）、人工心臟（心臟瓣膜）、人工種植牙、心臟起搏器外殼等。
鎳鈦形狀記憶合金是一種在一定溫度下經過處理能夠塑性變形為另一種形狀，而在一定條件下又能自動恢復成原有形狀的形狀記憶合金。
在許多承載的應用場景中，要求水凝膠能夠承受長期的循環載荷，例如，人工心臟瓣膜每年需要打開和關閉約3億次；膝蓋關節軟骨需承受幅值約2.5MPa的循環應力；透明揚聲器之類的水凝膠離子設備需要承受高頻振動；可拉伸的離子觸摸板需要承受周期性變形。在循環載荷作用下，水凝膠會表現出疲勞特征，包括模量、強度的退化，內部裂紋的成核和生長等。
目前較成功的高分子材料制人工器官有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工心臟瓣膜、人工關節、人工骨、整形材料等。
之所以可以開展這些仿真，是因為LS-DYNA求解器能夠用一個求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動車電池的內部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時的復雜啟閉行為。
之所以可以開展這些仿真，是因為LS-DYNA求解器能夠用一個求解器處理多階段、多尺度、多物理場問題，比如電動車電池的內部短路行為、高爾夫球棒擊球的噪聲、振動和粗糙度、汽車輪胎駛過水池的飛濺和打滑行為，甚至主動脈人工心臟瓣膜在血液泵送通過時的復雜啟閉行為。
從工程力學角度看：心臟是人體血液循環的動力裝置，而心臟瓣膜是能夠控制血液在心動周期內單向流動的控制原件，一旦心臟瓣膜病變或損壞，將危及患者的生命安全。生物瓣膜是挽救病人生命的有效手段。通過有限元方法對生物瓣膜進行動態力學性能分析,所得到的瓣葉在動態載荷下的應力分布更加接近真實情況,是瓣膜設計工作的有益嘗試,這為設計和優化生物瓣膜,提高其耐久性提供重要參考和依據,對生物瓣膜的研制、加工和性能評估工作具有重要的指導作用和現實意義
